Космические паяльники: как квазары выжигали галактики в ранней Вселенной

Когда телескоп Джеймса Уэбба начал исследовать раннюю Вселенную, астрономы столкнулись с неожиданной проблемой. В космосе, которому было всего несколько миллиардов лет, обнаружилось удивительно много массивных галактик, уже практически прекративших формировать новые звезды. По существующим моделям они не должны были успеть так быстро вырасти, исчерпать запасы газа и превратиться в спокойные звездные системы.

Возник парадокс: Вселенная была еще молодой, а некоторые ее галактики выглядели так, словно успели состариться.Исследование астрономов из Университета Аризоны, опубликованное в Nature, предлагает механизм, способный объяснить эту загадку. Его источник находится в самом центре молодых галактик — возле сверхмассивных черных дыр, превращавшихся в чрезвычайно яркие квазары.

Черная дыра сама по себе ничего не излучает. Но когда вокруг нее находится большое количество газа, вещество закручивается в аккреционный диск, разогревается до огромных температур и испускает колоссальное количество энергии. В результате ядро галактики может сиять ярче сотен миллиардов звезд.

Однако энергия квазара не просто уходит в космос в виде света. Часть ее взаимодействует с окружающим веществом и способна разгонять газ до тысяч километров в секунду. Возникают мощнейшие галактические ветры, распространяющиеся далеко за пределы непосредственных окрестностей черной дыры.

Для галактики это имеет фундаментальное значение. Звезды рождаются внутри холодных плотных облаков газа. Если газ сильно нагреть, разогнать или вообще выбросить из галактики, строительный материал для новых звезд исчезает. Астрономы называют такое взаимодействие активного галактического ядра с окружающей галактикой обратной связью, или quasar feedback.

Теоретики давно предполагали, что этот механизм способен регулировать рост галактик. Но наблюдать его непосредственно в ранней Вселенной чрезвычайно трудно. Свет от настолько далеких объектов путешествует до нас более 12 миллиардов лет, а сама галактика зачастую теряется в сиянии собственного квазара.

Возможности JWST изменили ситуацию. Команда под руководством Вэйчжэ Лю и Сяохуэя Фаня исследовала 27 квазаров эпохи, когда после Большого взрыва прошло примерно миллиард лет. У шести объектов были обнаружены признаки исключительно быстрых потоков газа.

Максимальная скорость достигала примерно 8400 километров в секунду. Это около 30 миллионов километров в час и почти три процента скорости света. При такой скорости расстояние от Земли до Луны можно было бы преодолеть меньше чем за минуту. Но еще важнее оказалась не сама скорость, а распространенность явления. Экстремальные потоки в исследованной выборке ранних квазаров встречались по меньшей мере в четыре раза чаще, чем у сопоставимых объектов более поздней Вселенной.

Различалась и их мощность. По оценкам исследователей, средняя кинетическая энергия таких потоков могла примерно в сто раз превосходить энергию аналогичных ветров у квазаров в более близком к нам космосе. Получается, что молодая Вселенная могла быть значительно более бурным местом, чем считалось раньше. Черные дыры быстро набирали массу, вокруг них концентрировались огромные запасы газа, а возникающие квазары запускали потоки, способные влиять уже не только на окрестности самой черной дыры, но и на всю галактику.

Это дает возможный ответ на вопрос, откуда так рано появились массивные галактики с подавленным звездообразованием. Представим молодую галактику, чрезвычайно богатую газом. Газ одновременно выполняет две функции: из него рождаются звезды, и он же питает сверхмассивную черную дыру в центре. Чем больше вещества получает черная дыра, тем мощнее становится квазар.

Но в определенный момент эта система начинает работать против самой себя. Излучение и ветры активного ядра разгоняют окружающий газ. Часть вещества нагревается настолько, что больше не может эффективно собираться в холодные облака, часть начинает двигаться наружу, а наиболее мощные потоки способны вообще вынести газ за пределы центральных областей галактики.

Темпы такого процесса могут быть огромными. Исследователи оценивают потерю вещества в наиболее экстремальных случаях в тысячи солнечных масс ежегодно. Даже если активная фаза продолжается относительно недолго по космическим меркам, последствия способны быть радикальными.

Квазары вообще не обязаны существовать миллиарды лет. Период чрезвычайно активного питания черной дыры может занимать десятки миллионов или около ста миллионов лет. На человеческой шкале это немыслимо долго, но для эволюции галактики — короткий эпизод.

И именно этот короткий эпизод способен определить ее судьбу на миллиарды последующих лет. Если галактика теряет значительную часть холодного газа, темпы рождения звезд резко падают. Яркие молодые голубые звезды быстро заканчивают жизнь, новые перестают появляться, и галактика постепенно становится населенной преимущественно более старыми звездами. Астрономы называют такие системы спокойными, или quiescent galaxies.

Это не означает, что галактика буквально становится мертвой. В ней остаются миллиарды звезд, звездные остатки, черные дыры, газ и темная материя. «Смерть» здесь означает прежде всего прекращение или резкое подавление образования новых звезд.

Особенно интересен временной порядок событий. JWST позволяет видеть квазары примерно через миллиард лет после Большого взрыва, тогда как неожиданно многочисленные спокойные массивные галактики обнаруживаются несколько позже. Между двумя популяциями появляется возможная эволюционная связь: сначала бурный рост галактики и черной дыры, затем экстремальная фаза квазара, мощный выброс газа и, наконец, подавление звездообразования.

Однако ученым еще предстоит доказать, насколько универсален этот сценарий. Само обнаружение быстрого газа не означает автоматически, что весь он навсегда покинет галактику. Часть вещества может замедлиться, охладиться и позднее вернуться. Кроме того, прекращению звездообразования могут способствовать несколько механизмов одновременно.

Но новые наблюдения делают квазарную обратную связь значительно более убедительным участником ранней эволюции галактик. Это особенно важно потому, что современные космологические модели должны объяснять не только образование первых галактик, но и поразительно быстрое появление среди них крупных систем, уже прекративших активный рост.

В этом открытии скрывается любопытный космический парадокс. Чтобы стать исключительно ярким квазаром, галактика должна предоставить своей центральной черной дыре огромные количества вещества. Богатство газом позволяет одновременно быстро создавать звезды и кормить черную дыру.

Но чем успешнее растет черная дыра, тем мощнее становится источник энергии в центре галактики. В конце концов он способен начать уничтожать условия, которые обеспечивали его собственное существование.

Получается своеобразный механизм саморегуляции. Галактика кормит черную дыру, черная дыра превращается в квазар, квазар выбрасывает газ, а исчезновение газа одновременно лишает галактику материала для новых звезд и ограничивает дальнейшее питание самой черной дыры.

Именно поэтому метафора «космического паяльника» оказывается столь выразительной. В течение короткого периода квазар сияет с невероятной мощностью, но эта яркость может стать началом конца бурной молодости всей галактики.

Связь черных дыр и галактик вообще является одной из наиболее удивительных проблем современной астрофизики. Сверхмассивная черная дыра занимает ничтожную часть объема галактики и обычно составляет лишь небольшую долю ее общей массы. Тем не менее процессы возле горизонта событий способны определять судьбу системы размером в десятки тысяч световых лет.

Масштабы различаются фантастически, но природа каким-то образом связывает их между собой. Наблюдая квазары, существовавшие более 12 миллиардов лет назад, астрономы фактически видят момент формирования этой связи. Перед нами не спокойная зрелая Вселенная, а эпоха, когда галактики быстро росли, сталкивались, поглощали газ, создавали звезды и одновременно выращивали сверхмассивные черные дыры.

Открытие экстремальных квазарных ветров показывает, что черные дыры были не просто пассажирами внутри молодых галактик. Они могли активно перестраивать окружающее пространство и в некоторых случаях буквально выключать фабрики по производству звезд.

Самые яркие объекты ранней Вселенной, таким образом, могли одновременно быть и одними из наиболее разрушительных. И в этом заключается один из парадоксов космической эволюции: процессы, обеспечивающие невероятно быстрый рост системы, могут создавать механизм, который этот рост останавливает.